南昌市湖泊重金屬源識(shí)別及污染特征風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

史艷萍，張 潔*，毛 葦，嚴(yán)如玉，胡克龍，凌 銘，計(jì) 勇

（1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌，330099；2.江西省港航管理局，江西 南昌，330038；3.南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌，330099）

0 引言

城市湖泊作為城市重要的地表水資源在城市生境中具有不可替代的生態(tài)效能，同時(shí)其作為大氣沉降、市政污水排放及暴雨徑流的主要受納體也面臨著嚴(yán)重的重金屬污染[1]。城市湖泊水體受到污染將直接降低其提供休閑娛樂(lè)及截污納污的生態(tài)服務(wù)功能。不同區(qū)域的城市湖泊由于城市發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及生活水平的差異往往會(huì)形成不同的重金屬種類、來(lái)源和分布水平[2]。地表水中的重金屬污染是一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題，全球范圍來(lái)看，在過(guò)去的五十年里，人們開(kāi)始關(guān)注水環(huán)境中的重金屬污染[3]，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局已將水體沉積物重金屬含量作為評(píng)價(jià)水體環(huán)境的重要指標(biāo)之一?？刂扑党练e物重金屬污染是防控水體重金屬污染的主要工作之一[4]。國(guó)外針對(duì)水環(huán)境中沉積物的重金屬做出了許多研究，利用許多重金屬污染評(píng)定指數(shù)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。盡管許多針對(duì)水體中重金屬的污染都圍繞著沉積物展開(kāi)，但也有一些研究同時(shí)考慮溶解于水體中的重金屬，了解水體中的重金屬污染狀況更能反映重金屬的遷移狀況。現(xiàn)如今，湖泊重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越受到重視，但大部分研究著重于國(guó)內(nèi)較大的內(nèi)陸湖泊及重點(diǎn)流域的重點(diǎn)湖泊，對(duì)于城市內(nèi)的中小型湖泊鮮少研究。目前開(kāi)展的在廣州[5]、西安[6]等城市的湖泊重金屬研究均表明其存在不同程度的重金屬污染。綜上所述，了解城市湖泊重金屬污染對(duì)于維護(hù)城市水生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)人水和諧具有重要意義。

南昌市水系縱橫、湖泊眾多，隨著城市的快速發(fā)展，城市湖泊也出現(xiàn)了水體發(fā)臭、富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境污染，嚴(yán)重影響了城市景觀及居民生活，因此有必要對(duì)南昌市湖泊水體狀態(tài)進(jìn)行了解并有針對(duì)性提供治理建議。目前針對(duì)南昌市湖泊研究多注重富營(yíng)養(yǎng)化[7]及水質(zhì)物化指標(biāo)[8]的研究，對(duì)于湖泊重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究較少。故本文以南昌市湖泊為研究對(duì)象，分析不同開(kāi)發(fā)程度湖泊重金屬的污染狀況并進(jìn)行相關(guān)分析，為今后南昌市湖泊重金屬治理和生態(tài)環(huán)境改善提供科學(xué)依據(jù)及解決策略。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

該研究以南昌市三個(gè)開(kāi)發(fā)程度不同的湖泊進(jìn)行展開(kāi)。青山湖（QSH）位于南昌市區(qū)東郊青山湖區(qū)，其藍(lán)藻爆發(fā)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，通過(guò)相關(guān)部門(mén)治理該現(xiàn)象得到了一定的改善，但2018-2019年，水質(zhì)惡化呈輕微反彈趨勢(shì)，發(fā)生了多次藻類水華事件。前湖（QH）位于南昌市紅谷灘新區(qū)，屬于天然湖泊，原為養(yǎng)魚(yú)山塘，后經(jīng)水庫(kù)清淤，形成了目前水面面積1.65km2的工程規(guī)模。象湖（XH）西臨贛江，由南江、北江、東江、西江，以及青山湖的水流匯聚而成，其主要通過(guò)玉帶河與青山湖水系進(jìn)行連通，四周交通發(fā)達(dá)，周圍存在排污管直排現(xiàn)象。

1.2 樣品采集

2020年11～12月在湖泊枯水期進(jìn)行樣點(diǎn)采集，共采集了12個(gè)水樣點(diǎn)，8個(gè)沉積物樣點(diǎn)，見(jiàn)圖1。所有采樣點(diǎn)均通過(guò)GPS（全球定位系統(tǒng)，海王星300E）定位，水中沉積物采用彼得遜采泥器（HAD-XDB0201D，北京恒奧德）采集表層0～10cm沉積物，并編號(hào)裝入聚乙烯自封袋中；水樣采用采水器（KH055-2L，北京）進(jìn)行采集，并編號(hào)裝入聚乙烯塑料瓶中。為了保證水樣中重金屬含量在測(cè)定時(shí)不沉淀且不被容器壁吸附，現(xiàn)場(chǎng)加入硫酸調(diào)節(jié)pH至1～2。采樣完畢后，將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室并保存在4℃冷藏室內(nèi)備用。

圖1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)示意圖

1.3 樣品處理與分析

樣品采回后，將沉積物樣品進(jìn)行干燥處理，除雜研磨，過(guò)篩（100目）后置于干燥器中待用。利用混酸（硝酸∶氫氟酸∶高氯酸=5∶4∶2）進(jìn)行電熱板消解，消解結(jié)束后將溶液轉(zhuǎn)移至25ml容量瓶中，加入3ml磷酸氫二銨溶液冷卻定容于25ml容量瓶中，搖勻備測(cè)。水樣則按照《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[9]中重金屬[鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉛（Pb）]測(cè)定處理方法進(jìn)行前期處理后備測(cè)。其中，沉積物未檢測(cè)Cr含量，實(shí)驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級(jí)純。

1.4 重金屬污染分析

利用國(guó)內(nèi)外[10]廣泛采用的單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地質(zhì)累積指數(shù)法（Igeo）[11]、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（RI）[12]對(duì)水體重金屬污染狀況進(jìn)行分析。本研究中，采取地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002進(jìn)行因子分析，污染判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究中，樣品測(cè)量所獲數(shù)據(jù)利用Excel 2019和Origin 2016軟件對(duì)重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以及制圖；使用SPSS 22對(duì)重金屬含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析及主成分分析（PCA）。

2 重金屬污染分析評(píng)價(jià)

2.1 水體重金屬污染特征

對(duì)采集水樣中的6種重金屬分別進(jìn)行單因子污染指數(shù)計(jì)算，主要污染元素結(jié)果見(jiàn)圖2。將圖2結(jié)果與表1中單因子指數(shù)取值情況與污染水平進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三個(gè)湖泊水體中均存在嚴(yán)重的Cr污染，污染指數(shù)最小值也已超過(guò)5.20，屬于重度污染水平。從三個(gè)湖泊Cr單因子污染指數(shù)平均值來(lái)看，QH污染最為嚴(yán)重，均值已達(dá)32.60；Ni的污染嚴(yán)重性在三個(gè)湖泊中均值從大到小依次為 QH（8.87）>QSH（6.25）>XH（1.44），均受到 Ni污染威脅；Cu及Zn在三個(gè)湖泊中單因子污染指數(shù)均小于1，屬于清潔水平；Cd除在QH1呈現(xiàn)清潔水平，在其余湖泊采樣點(diǎn)均存在不同程度的污染，尤其以QSH污染最為嚴(yán)重；Pb在三個(gè)湖泊中污染指數(shù)都超過(guò)單因子污染指數(shù)最大限值，存在重度污染。雖然各個(gè)湖泊重金屬的污染程度并不一致，但就各重金屬污染在湖泊中的占比而言，三個(gè)湖泊的重金屬污染具有類似的比重，說(shuō)明重金屬在城市不同湖泊中可能存在較為一致的擴(kuò)散降解水平。

圖2 水體主要污染重金屬單因子指數(shù)分布特征

表1 污染指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)單因子污染指數(shù)可以確定各個(gè)點(diǎn)位的重金屬污染情況，為了解每個(gè)湖泊總體污染情況，引入內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)綜合各污染物對(duì)各湖泊進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。通過(guò)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可知，三個(gè)湖泊各采樣點(diǎn)綜合指數(shù)均超過(guò)污染最高限制，處于重金屬重度污染水平。比較三個(gè)湖泊采樣點(diǎn)綜合指數(shù)均值，QH（23.88）>QSH（23.39）>XH（13.31），三個(gè)湖泊重金屬污染水平均處于重度污染，QH受重金屬污染威脅最大。

2.2 沉積物重金屬污染特征

南昌市城市湖泊沉積物樣品重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2。

表2 重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)分析表 mg·kg-1

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知，五種重金屬在三個(gè)湖泊內(nèi)累積程度大不相同。Cd在三個(gè)湖泊內(nèi)均超過(guò)南昌市土壤元素背景值，其中XH及QH的Cd含量基本超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，綜合南昌市土壤元素背景值及國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知，Cd污染為三個(gè)湖泊內(nèi)最主要的重金屬污染。

沉積物重金屬地質(zhì)累積指數(shù)顯示結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 重金屬地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

5種沉積物重金屬地質(zhì)累積指數(shù)平均值由大到小依次為 QSH：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn，Cd 達(dá)輕度污染；XH：Cd>Pb>Ni>Cu>Zn，Cd達(dá)偏中度污染，這與熊戩等[13]人對(duì)象湖底泥重金屬污染的研究結(jié)果一致；QH：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn，Cd達(dá)偏中度污染。比較三個(gè)湖泊沉積物重金屬污染水平，QH的污染較為嚴(yán)重。綜合三個(gè)湖泊沉積物及水體重金屬污染情況分析，Cr、Cd及Pb為主要的湖泊污染重金屬。

2.3 沉積物重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究區(qū)域各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

三個(gè)湖泊的單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)均值由大到小均為Cd>Cu>Pb>Ni>Zn，RI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為低風(fēng)險(xiǎn)。表明3個(gè)湖泊雖然地理位置大不相同，但受到主要生態(tài)威脅的重金屬相同，從而可推測(cè)南昌市湖泊主要重金屬污染類型。分析各湖泊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可知，QSH中，各樣點(diǎn)及綜合樣點(diǎn)均值風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為低風(fēng)險(xiǎn)，即QSH受重金屬污染脅迫的潛在風(fēng)險(xiǎn)較小；XH中，2個(gè)樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表明，XH2綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)已達(dá)到中等風(fēng)險(xiǎn)，且XH2與綜合樣點(diǎn)均值風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高，接近中等風(fēng)險(xiǎn)程度，故XH存在一定的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)；QH中，從均值水平判定QH的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)，但其存在2個(gè)樣點(diǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)，故該湖泊的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于較高水平。

3 重金屬污染源識(shí)別分析

3.1 水體重金屬源分析

對(duì)三個(gè)湖泊檢測(cè)的6種重金屬元素進(jìn)行初步Pearson相關(guān)性分析及主成分分析。相關(guān)性結(jié)果顯示，Ni、Cu 及 Cu、Zn 兩組元素呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P＜0.01），表明該三種元素來(lái)源有較強(qiáng)的一致性。綜合而言，Cr、Ni、Zn、Cd、Pb都有不同程度的相關(guān)性，可能來(lái)源于多種污染源，但幾種元素在某種污染源上達(dá)到一定程度的重合。KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果為KMO值0.619（＞0.5），Bartlett球形檢驗(yàn)值 43.758，顯著性水平為 0，各重金屬元素相關(guān)性較強(qiáng)，適合進(jìn)行因子分析。

主成分分析結(jié)果見(jiàn)表5，主成分1（PC1）的特征值為3.522，方差貢獻(xiàn)率較高，達(dá) 58.699%。其中，Ni、Cu、Zn、在 PC1 上的因子載荷分別為 0.856，0.943，0.910，因子載荷高，且三元素相關(guān)性均超過(guò)0.7，表明三種元素極可能來(lái)自同一污染源。有研究表明，Cu、Zn可能來(lái)自汽車輪胎及金屬部件的磨損及大氣污染沉降、工業(yè)污染隨地表徑流匯入以及周邊居民、醫(yī)院、車站等污水排放的影響[1]，燃油汽車尾氣中含有較高含量Ni[2]。除此之外，Ni也存在于農(nóng)藥和化肥中[14]。結(jié)合研究區(qū)域水體重金屬分析結(jié)果，三個(gè)湖泊Cu及Zn污染均處于清潔水平，三個(gè)湖泊受到Ni污染威脅，且QH＞QSH＞XH。三個(gè)湖泊周圍存在著大量污水的排放及廢水的匯入，可推測(cè)PC1代表了污水排放污染。主成分2（PC2）的特征值為1.418，方差貢獻(xiàn)率為23.634%，Cd、Pb在PC2上的因子載荷較高且較為接近，兩者相關(guān)性為0.594，具有相似的來(lái)源。Cd、Pb在水體中的來(lái)源主要為工農(nóng)業(yè)污水排放的早期沉積及交通運(yùn)輸，結(jié)合水體重金屬分析結(jié)果，在三個(gè)湖泊中均存在較為嚴(yán)重的Cd、Pb污染，且三個(gè)湖泊周圍存在較大的交通運(yùn)輸量。推測(cè)PC2代表了交通運(yùn)輸。

表5 水體重金屬元素主成分分析結(jié)果

3.2 沉積物重金屬相關(guān)性分析

5種重金屬之間存在著一定的相關(guān)性。Cd、Pb（P＜0.05）之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，兩元素的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.685（＞0.5）處于較高態(tài)勢(shì)，表明該組重金屬可能具有相同的成因或相同的來(lái)源。而Cd元素主要來(lái)源于工業(yè)“三廢”的排放[15]，土壤及沉積物中的Pb元素主要來(lái)源于大氣沉降[16]。除此之外，Pb元素還來(lái)源于汽車尾氣及道路表面油漆的磨損，是交通源污染的標(biāo)志性物質(zhì)[17]。據(jù)此可以判斷，Cd及Pb兩種重金屬產(chǎn)生主要受人類活動(dòng)影響，且極大可能來(lái)源于交通污染。Ni與Cu、Zn、Pb之間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Cd正相關(guān)性較低，僅為0.058，說(shuō)明Ni與這幾種元素具有一定的異質(zhì)性，無(wú)相似的來(lái)源。在一定程度上可認(rèn)為，Ni為孤立元素，與其他元素來(lái)源相背。Ni主要來(lái)源于土壤母質(zhì)[18]，可推測(cè)在三個(gè)湖泊沉積中Ni主要成因?yàn)樽匀灰蛩?。相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算得到的因子特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率表明，第1主因子、第2主因子提供了86.459%以上的源信息。因此，在本研究中主要提取前兩個(gè)最重要的主因子 F1、F2。

3.3 沉積物重金屬主成分分析

對(duì)5種重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析后可知，Ni與其余四種重金屬正相關(guān)性不顯著，因此在進(jìn)行主成分分析時(shí)，將Ni去除對(duì)其余四種重金屬進(jìn)行主成分分析。KMO 值和 Bartlett值分別為 0.217（＜0.5）和 13.502，顯著性水平為0.036（＜0.05），由于樣點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，數(shù)據(jù)并不同時(shí)滿足因子分析的前提條件，進(jìn)行因子分析效果可能不完美，在以上前提下，為了大致了解研究區(qū)域沉積重金屬來(lái)源情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)主成分分析。

主成分1（PC1）的特征值為1.989，方差貢獻(xiàn)率為49.734%。Cd、Pb在PC1上的因子載荷分別為0.946、0.735，達(dá)0.685的顯著相關(guān)性，表明兩者有較為相似的來(lái)源及空間布局。就研究湖泊而言，Cd、Pb在XH與QH含量較高，Cd主要來(lái)源于工業(yè)“三廢”的排放，XH清淤前存在大量污水排放口，雖經(jīng)過(guò)清淤，但重金屬難以降解仍存在部分累積于現(xiàn)存底質(zhì)中，除此之外，XH經(jīng)玉帶河與QSH相連接，兩湖之間存在著連通性，在一定程度上具有相似性，XH的水也由撫河故道的水匯入，受到外來(lái)水源的影響。Cd累積還與農(nóng)藥、磷肥及含有抗生素餌料的施用有關(guān)[19]。QH曾經(jīng)是一座養(yǎng)魚(yú)山塘，現(xiàn)存在一養(yǎng)殖場(chǎng)，餌料的投放使得大量Cd積累，除此之外，QH周圍生活污水散排，管網(wǎng)錯(cuò)接漏接，多處垃圾堆放等現(xiàn)象也較為突出。Pb來(lái)源于大氣沉降，XH周圍交通發(fā)達(dá)，大量汽車尾氣的排放使得Pb隨著大氣降塵及降雨沖刷匯入湖泊最終累積。故PC1代表了廢水廢氣等人為污染源。

主成分2（PC2）的特征值為1.255，方差貢獻(xiàn)率為31.381%。Zn、Pb在PC2上的因子載荷分別為0.913、0.640，兩元素相關(guān)性不顯著，認(rèn)為PC2中的主要因子為Zn。Zn在三個(gè)湖泊中污染較低，其主要來(lái)源于鍍鋅、造紙等工業(yè)的污染排放，同時(shí)包括汽車輪胎磨損及煤燃燒產(chǎn)生的粉塵等。在三個(gè)湖泊周圍工業(yè)區(qū)較少，周圍道路交通車輛較多，交通車輛產(chǎn)生的重金屬可能是湖泊重金屬沉積的一大來(lái)源。

表6 沉積重金屬元素主成分分析結(jié)果

綜合水體及沉積物重金屬源分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩者主成分及其可能代表的污染源存在著差異。水體中，PC1的主要載荷為Ni、Cu、Zn，推測(cè)其主要代表污水排放污染，PC2載荷為Cd、Pb，交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)餌料農(nóng)藥的使用、工業(yè)污水的排放等都可能產(chǎn)生Cd污染，汽車尾氣及道路表面油漆磨損都會(huì)產(chǎn)生Pb污染，在此推測(cè)PC2代表了交通運(yùn)輸；沉積物中，PC1代表元素為Cd、Pb，PC2代表元素為Zn，恰恰與水體中重金屬主成分相反，但各主成分代表的污染源較為一致。推測(cè)三個(gè)湖泊中交通運(yùn)輸及廢水廢氣的排放是湖泊重金屬的主要污染源，但來(lái)自不同污染物排放產(chǎn)生的重金屬量及不同重金屬在水體中的沉降累積程度存在差異，使得水體與沉積物中重金屬類型分布存在差異。

4 結(jié)論

（1）對(duì)湖泊重金屬含量進(jìn)行因子分析，結(jié)果表明Cr及Pb為湖泊水體主要重金屬污染元素，QH水體重金屬污染最為嚴(yán)重；由沉積物中重金屬含量平均值可知三個(gè)湖泊Cd含量均超過(guò)南昌市土壤元素背景值，具有一定的污染性，其中XH及QH的Cd含量基本超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）湖泊沉積物重金屬的Igeo及RI的結(jié)果表明：Ni、Cu、Zn、Cd、Pb已存在不同程度的累積及污染風(fēng)險(xiǎn)，其中Cd及Pb累積程度最為嚴(yán)重；三個(gè)湖泊的風(fēng)險(xiǎn)程度從大到小均為Cd>Cu>Pb>Ni>Zn，其中QH的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度最大。

（3）在本研究中，對(duì)水體重金屬及沉積物重金屬均進(jìn)行了重金屬源識(shí)別分析，結(jié)果表明，水體和沉積物由于重金屬沉降累積程度不同，所得分析結(jié)果具有一定差異，但三個(gè)湖泊重金屬主要來(lái)源于交通運(yùn)輸及廢水廢氣排放污染，典型污染源元素包含Cu、Zn、Cd、Pb。